在“生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)”教學(xué)中滲透建模思維及生態(tài)保護(hù)理念

王美霞 侯妹仿

（北京市密云區(qū)第二中學(xué) 北京 101500）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確提出生物學(xué)科核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任［1］。教師要在課程標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下在教學(xué)實(shí)踐中促進(jìn)學(xué)生發(fā)展這4 個(gè)維度的核心素養(yǎng)。模型與建模是一種重要的科學(xué)思維，在教學(xué)過(guò)程中鼓勵(lì)學(xué)生基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)，運(yùn)用建模的思維方法闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律［2］，利用建立的模型解釋和預(yù)測(cè)相似的生物學(xué)問(wèn)題和現(xiàn)象?！吧鷳B(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)”一節(jié)需要學(xué)生建立能量流動(dòng)模型，總結(jié)能量流動(dòng)規(guī)律，并應(yīng)用解決實(shí)際問(wèn)題，是培養(yǎng)學(xué)生模型與建模等科學(xué)思維的典型案例。

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》在本部分的教學(xué)建議中提出可調(diào)查或探討當(dāng)?shù)啬硞€(gè)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)，使用圖示等方式表征和說(shuō)明生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)和信息傳遞，并對(duì)相關(guān)的生態(tài)學(xué)實(shí)踐應(yīng)用作出合理的分析判斷，提高環(huán)境保護(hù)意識(shí)［1］。作為北京市密云區(qū)的學(xué)生，密云水庫(kù)與其生活聯(lián)系密切，很多學(xué)生就生活在水庫(kù)周邊，對(duì)密云水庫(kù)的保護(hù)措施比較熟悉，但并不了解措施背后的生態(tài)學(xué)原理。

基于以上分析，在教學(xué)中組織學(xué)生借助中國(guó)知網(wǎng)等完成與密云水庫(kù)相關(guān)的4 個(gè)調(diào)查報(bào)告并在課堂上進(jìn)行交流，讓學(xué)生對(duì)密云水庫(kù)生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展有更全面的了解。然后教師對(duì)相關(guān)資料進(jìn)行整理，匯編為課堂使用的導(dǎo)學(xué)案，創(chuàng)設(shè)真實(shí)教學(xué)情境，指導(dǎo)學(xué)生建立能量流動(dòng)概念模型和數(shù)學(xué)模型，并分析模型總結(jié)規(guī)律，應(yīng)用規(guī)律分析密云水庫(kù)生態(tài)保護(hù)措施的合理性，更加了解和熱愛(ài)自己的家鄉(xiāng)，樹(shù)立和踐行綠水青山就是金山銀山的生態(tài)保護(hù)理念。

1 建立生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)模型，滲透建模思維

1.1 初步建立能量流動(dòng)概念模型和數(shù)學(xué)模型在生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學(xué)中，指導(dǎo)學(xué)生建立密云水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（圖1），明確水庫(kù)中主要生物類(lèi)群及生物與環(huán)境之間的關(guān)系，初步建立物質(zhì)與能量觀。在學(xué)習(xí)物質(zhì)循環(huán)之后提出問(wèn)題：能量在水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)中是如何流動(dòng)的？明確建立模型的目的是研究能量流動(dòng)的規(guī)律。

圖1 密云水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

細(xì)胞和個(gè)體水平的物質(zhì)能量變化是群體水平物質(zhì)能量變化的基礎(chǔ)，所以課前讓學(xué)生復(fù)習(xí)光合作用和呼吸作用，明確自然界中有光能、儲(chǔ)存在有機(jī)物中的化學(xué)能、熱能等能量形式，理解在細(xì)胞水平上不同能量之間的轉(zhuǎn)化。

1.1.1 建立概念模型 在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生分析密云水庫(kù)一條食物鏈上每個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量的來(lái)源和去向，并比較輸入每個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量的大小，思考每條食物鏈能量流動(dòng)過(guò)程是否都一樣。學(xué)生發(fā)現(xiàn)由于每條食物鏈的組成成分相同，所以能量流動(dòng)過(guò)程都一樣，可將食物鏈上的具體生物換為組成成分，據(jù)此提出一個(gè)能量流動(dòng)模型以反映能量流動(dòng)規(guī)律。在建立模型時(shí)要求學(xué)生用箭頭的粗細(xì)表示輸入某營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量的多少，用長(zhǎng)方形面積的大小表示某個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)同化能量的多少（圖2）。學(xué)生經(jīng)歷了從特殊到一般的思維過(guò)程，在構(gòu)建概念模型中發(fā)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)級(jí)越高同化的能量越少，初步發(fā)現(xiàn)了能量流動(dòng)逐級(jí)遞減的規(guī)律。

1.1.2 建立數(shù)學(xué)模型 在學(xué)生建立概念模型的基礎(chǔ)上，將模型中每一營(yíng)養(yǎng)級(jí)同化的能量、呼吸作用散失的熱能、分解者利用的能量分別用字母A、R、V 表示，用n 表示營(yíng)養(yǎng)級(jí)。引導(dǎo)學(xué)生用語(yǔ)言表述A、R、V 的含義，并尋找A1、A2、A3、R1、R2、R3、V1、V2、V3 之間的數(shù)學(xué)關(guān)系（圖2），在此基礎(chǔ)上歸納出數(shù)學(xué)公式An=An+1+Rn+Vn，用數(shù)學(xué)模型反應(yīng)能量流動(dòng)的規(guī)律。

圖2 生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)模型

1.2 檢驗(yàn)和修正能量流動(dòng)模型 模型是否準(zhǔn)確需要實(shí)踐檢驗(yàn)，需要進(jìn)行定量研究調(diào)查公式中的各個(gè)能量值，引導(dǎo)學(xué)生用林德曼的賽達(dá)伯格湖研究結(jié)果檢驗(yàn)前面建立的能量流動(dòng)模型。

通過(guò)比較，學(xué)生將未利用的能量（用字母F 表示）添加到概念模型上，并將數(shù)學(xué)模型修正為An=An+1+Rn+Vn+Fn。接著讓學(xué)生用賽達(dá)伯格湖的具體數(shù)據(jù)驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的正確性。學(xué)生在驗(yàn)證中就會(huì)發(fā)現(xiàn)，如果n 不是最高營(yíng)養(yǎng)級(jí)，會(huì)被天敵捕食從而使部分同化的能量流動(dòng)到下一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)，則：An=An+1+Rn+Vn+Fn；如果n 是最高營(yíng)養(yǎng)級(jí)，不被捕食，同化的能量不能流動(dòng)到下一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)，則：An=Rn+Vn+Fn。至此，學(xué)生通過(guò)活動(dòng)不但建立了生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的概念模型和數(shù)學(xué)模型（圖2），還很好地滲透了建模的思想方法。

2 研究模型，歸納能量流動(dòng)概念和規(guī)律

根據(jù)模型，引導(dǎo)學(xué)生思考在生物群落和無(wú)機(jī)環(huán)境之間，以及在生物群落內(nèi)部能量是怎樣流動(dòng)的。經(jīng)過(guò)逐步建立模型，學(xué)生可很好地理解通過(guò)生產(chǎn)者的光合作用光能從無(wú)機(jī)環(huán)境輸入到生物群落，轉(zhuǎn)化為化學(xué)能沿著營(yíng)養(yǎng)級(jí)逐級(jí)傳遞，最后通過(guò)生物的呼吸作用轉(zhuǎn)化為熱能散失到無(wú)機(jī)環(huán)境，不能再利用。進(jìn)而總結(jié)得出能量流動(dòng)是指生態(tài)系統(tǒng)中能量的輸入、傳遞、轉(zhuǎn)化和散失的過(guò)程，同時(shí)發(fā)現(xiàn)能量單向流動(dòng)不可循環(huán)的規(guī)律。

引導(dǎo)學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)一步推理An+1=An-Rn-Vn-Fn，得出An+1＜An，并解釋原因，真正理解能量流動(dòng)逐級(jí)遞減的規(guī)律。利用賽達(dá)伯格湖的能量流動(dòng)圖，計(jì)算能量在2 個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間的傳遞效率An+1／An，發(fā)現(xiàn)相鄰2 個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間的傳遞效率是10%～20%，并建立能量金字塔。

最后啟發(fā)學(xué)生思考賽達(dá)伯格湖輸入的總能量、輸出的總能量，以及該湖泊所處的演替階段，從系統(tǒng)分析的角度理解一個(gè)湖泊的能量流動(dòng)狀態(tài)決定了湖泊的發(fā)展階段。

3 應(yīng)用能量流動(dòng)規(guī)律解決實(shí)際問(wèn)題，滲透生態(tài)環(huán)保理念

結(jié)合密云水庫(kù)保護(hù)的實(shí)際情況，向?qū)W生出示以下資料。

資料1：2016—2018年密云水庫(kù)蓄水量從10 億m3漲到22 億m3，目前水深146 m，水面131 km2。水量增加為水質(zhì)安全帶來(lái)挑戰(zhàn)，水庫(kù)管理中心設(shè)立46 個(gè)監(jiān)測(cè)站［3］，每周檢測(cè)水庫(kù)中浮游植物、浮游動(dòng)物、底棲動(dòng)物的生物量（單位面積內(nèi)生物的總重量），以反映密云水庫(kù)水質(zhì)的富營(yíng)養(yǎng)化程度，防止水華的爆發(fā)。

資料2：密云水庫(kù)每年在4月1日—9月30日的休漁期投放魚(yú)苗。2016年增殖放流鰱魚(yú)4.21×105kg、鳙魚(yú)1.29×105kg、魴魚(yú)2×104kg，共計(jì)放流凈水魚(yú)類(lèi)5.72×105kg。2017年增殖放流鰱魚(yú)5.36×105kg、鳙魚(yú)2.26×105kg、魴魚(yú)2.1×104kg，共計(jì)放流凈水魚(yú)類(lèi)7.83×105kg。2018年增殖放流情況與2017年相同。

資料3：水華的爆發(fā)主要是由于藍(lán)藻等大量繁殖造成的，鰱魚(yú)和鳙魚(yú)是濾食性魚(yú)，以浮游動(dòng)植物為食，一條1 kg 左右的鰱魚(yú)1 個(gè)月能吃掉2 kg 藍(lán)藻，同樣大小的一條鳙魚(yú)，1 個(gè)月能消耗3.66 kg 藍(lán)藻。

根據(jù)資料，讓學(xué)生從生態(tài)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)效益的角度思考以下3 個(gè)問(wèn)題：1）為什么要投放濾食性魚(yú)而不是肉食性魚(yú)？2）從密云水庫(kù)的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)分析，每年的最佳魚(yú)苗增殖放流量是如何確定的？3）有人認(rèn)為每年增殖放流魚(yú)苗增加了經(jīng)濟(jì)成本，破壞了水庫(kù)原有營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)，應(yīng)該停止投放魚(yú)苗，在開(kāi)漁期適量捕撈水庫(kù)原有魚(yú)類(lèi)，你同意嗎？請(qǐng)說(shuō)明理由。

以上3 個(gè)問(wèn)題來(lái)源于實(shí)踐，也是學(xué)生在做調(diào)查報(bào)告時(shí)自己提出的。濾食性魚(yú)捕食藻類(lèi)，防止水華發(fā)生，凈化水質(zhì)。肉食性魚(yú)類(lèi)捕食濾食性魚(yú)類(lèi)，使藻類(lèi)大量增殖，加重水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化。肉食性魚(yú)類(lèi)營(yíng)養(yǎng)級(jí)較高，獲取的能量少，產(chǎn)量低。所以投放濾食性魚(yú)是生態(tài)與經(jīng)濟(jì)并舉的措施，既能防止水華的發(fā)生，還能獲得最大經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)資料1 的信息和能量傳遞規(guī)律，每年的增殖放流量是根據(jù)上一營(yíng)養(yǎng)級(jí)即浮游植物的生物量計(jì)算得出的。通過(guò)定期的適量投放和捕撈魚(yú)類(lèi)，調(diào)整了水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)和能量流動(dòng)關(guān)系，使第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)中藍(lán)藻的能量通過(guò)濾食性魚(yú)類(lèi)離開(kāi)水庫(kù)，既保護(hù)水庫(kù)水質(zhì)，又使部分能量持續(xù)高效流向人類(lèi)。如果不適當(dāng)增加能量的輸入，只一味地捕撈，可能會(huì)導(dǎo)致能量輸出大于輸入，破壞水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

該教學(xué)環(huán)節(jié)不僅培養(yǎng)學(xué)生獲取信息應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決真實(shí)問(wèn)題的能力，同時(shí)使學(xué)生更加了解自己的家鄉(xiāng)，樹(shù)立依自然規(guī)律參與生態(tài)保護(hù)實(shí)踐的理念。學(xué)生還可利用自己的知識(shí)向身邊人傳播生態(tài)保護(hù)的理念，幫助百姓理解政府的各種水庫(kù)保護(hù)措施，深刻體會(huì)綠水青山就是金山銀山的生態(tài)保護(hù)理念。

4 教學(xué)反思

生物學(xué)核心素養(yǎng)是學(xué)生在解決真實(shí)情景中的實(shí)際問(wèn)題時(shí)所表現(xiàn)出的價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力［1］。教師在教學(xué)中圍繞教學(xué)主題，借助當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)資源，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，提出真實(shí)問(wèn)題，在活動(dòng)中留充足的時(shí)間讓學(xué)生真正解決問(wèn)題。在邏輯嚴(yán)密的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中滲透了模型與建模的科學(xué)思維和生態(tài)與經(jīng)濟(jì)并舉的生態(tài)環(huán)保理念。不足之處是由于季節(jié)和安全原因，沒(méi)有組織學(xué)生實(shí)地調(diào)查，在以后的教學(xué)中可根據(jù)實(shí)際情況組織學(xué)生到密云水庫(kù)進(jìn)行實(shí)地的調(diào)查研究。